JP2011165636A - 並列型燃料電池電力システム - Google Patents

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Abstract

【課題】パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで電圧を出力する。
【解決手段】複数の燃料電池電力モジュール２および直流バス３を含む。各燃料電池電力モジュール２は、燃料電池スタック２０、電流スイッチ２１および逆電流保護装置２２を含む。直流バス３には、複数の燃料電池電力モジュール２の出力端が電気的に接続され、各燃料電池電力モジュール２を互いに並列接続する。これにより、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで電圧を出力し、負荷に供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、並列型燃料電池電力システムに関し、特に、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで出力する並列型燃料電池電力システムに関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、汚染のないクリーンな発電技術である。この発電技術は、電気化学の原理を応用したものであり、燃料中の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する上、熱エネルギーを放出する装置である。
燃料電池は、酸化剤とプロトン化された燃料との電気化学反応を行うことにより、電流および水を製造する電気化学装置である。最も頻繁に使用される燃料は、水素であり、最も頻繁に使用される酸化剤は、酸素である。一般に、燃料および酸化剤は、気体の状態で輸送される。燃料は、燃料電池のアノードに輸送され、酸化剤は、燃料電池のカソードに輸送される。また、イオンが透過可能な電気絶縁膜により、アノードとカソードとが分割される。電気絶縁膜は、適合する特性、燃料電池の設計および操作条件に応じて選択される。
通常、２つまたは２つ以上の燃料電池が連結されることにより、燃料電池の電流が増大される。通常、連結された複数の燃料電池は、燃料電池スタックと称される。一般に、燃料電池スタック内の燃料電池は、直列接続される。また、燃料電池スタックを燃料電池システム内に統合することができる。通常、燃料電池システムは、燃料電池に使用される水素ガスまたは他の燃料源を含む上、一般に、燃料および酸化剤を電力に変換する補助を行う他の部材をさらに含む。
通常、燃料電池スタックは、出力するパワーが全て固定されており、応用する上で、所望のパワーで出力できないことによる使用上の不都合が頻繁に発生していた。そこで、如何にして、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで電圧を出力するかは、重要な研究課題であった。
本発明の第１の目的は、複数の燃料電池電力モジュールが並列接続されることにより、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで出力する並列型燃料電池電力システムを提供することにある。
本発明の第２の目的は、各燃料電池スタックに進入する燃料（水素ガス）の流量を制御して均一にすると共に、各燃料電池スタックに進入する空気の流量を制御して均一にすることにより、各燃料電池スタックの電力出力をバランスさせる並列型燃料電池電力システムを提供することにある。
本発明の第３の目的は、供給する反応物の圧力および濃度を均一にすることにより、有効に電力を供給し、燃料電池スタックの寿命を延長させる並列型燃料電池電力システムを提供することにある。
本発明の第４の目的は、電流スイッチおよび逆電流保護装置が設置されることにより、燃料電池スタックが保護され、各燃料電池スタックが異なることにより破損するのを防止する並列型燃料電池電力システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明の並列型燃料電池電力システムは、複数の燃料電池電力モジュールおよび直流バスを含む。複数の燃料電池電力モジュールは、共通の燃料管を含む。各燃料電池電力モジュールは、カソード入力端に空気ポンプが接続される燃料電池スタックと、燃料電池スタックの出力端に直列接続される電流スイッチと、電流スイッチの出力端に一方向に導通するように直列接続される逆電流保護装置と、を含む。直流バスには、複数の燃料電池電力モジュールの出力端が電気的に接続され、各燃料電池電力モジュールを互いに並列接続する。
本発明を実施することにより、少なくとも下記の効果が達成される。
１．従来技術においては、燃料電池スタックの出力パワーが全て固定されており、応用する上で、所望のパワーで出力できないことによる使用上の不都合が頻繁に発生していたが、本発明の並列型燃料電池電力システムは、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで出力することができる。
２．各燃料電池スタックに進入する燃料（水素ガス）の流量を制御して均一にすると共に、各燃料電池スタックに進入する空気の流量を制御して均一にすることにより、各燃料電池スタックの電力出力をバランスさせることができる。
３．供給する反応物の圧力および濃度を均一にすることにより、有効に電力を供給し、燃料電池スタックの寿命を延長することができる。
本発明の第１実施形態による並列型燃料電池電力システムのアーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による並列型燃料電池電力システムのコントローラが行う動作を示す流れ図である。 本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システムのアーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システムのコントローラが行う動作を示す流れ図である。 本発明の第３実施形態による並列型燃料電池電力システムのアーキテクチャを示すブロック図である。
本発明の目的、特徴および効果を示す実施形態を図面に沿って詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による並列型燃料電池電力システム１００のアーキテクチャを示すブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態による並列型燃料電池電力システム１００のコントローラ９が行う動作を示す流れ図である。図３は、本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’のアーキテクチャを示すブロック図である。図４は、本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’のコントローラ９が行う動作を示す流れ図である。図５は、本発明の第３実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’’のアーキテクチャを示すブロック図である。
（第１実施形態）
図１を参照する。図１に示すように、本発明の第１実施形態による並列型燃料電池電力システム１００は、燃料供給装置１、複数の燃料電池電力モジュール２、直流バス３および電力調整装置４ａを含む。
燃料供給装置１は、高圧水素タンクとすることができ、改良装置を経た後、水素ガスを発生させ、燃料電池電力モジュール２が必要とする燃料を供給する。
図１に示すように、複数の燃料電池電力モジュール２は、共通の燃料管５を含む。また、各燃料電池電力モジュール２は、燃料電池スタック２０、電流スイッチ２１および逆電流保護装置２２を含む。また、各燃料電池電力モジュール２は、互いに並列に配列される。
燃料管５は、電磁バルブ５０を含む。電磁バルブ５０は、燃料供給装置１と燃料管５との間に接続され、燃料が複数の燃料電池電力モジュール２に進入するのを制御し、複数の燃料電池電力モジュール２に進入する燃料の圧力を均一にする。
燃料電池スタック２０のアノード入力端には、燃料管５が接続され、水素ガスが燃料管５から燃料電池スタック２０内に輸送される。燃料電池スタック２０のカソード入力端には、空気ポンプ６が接続される。空気ポンプ６は、燃料電池スタック２０のカソード入力端が必要とする空気（酸素ガス）を供給する。空気の流速は、空気ポンプ６の回転速度により調整され、燃料電池スタック２０の様々な出力範囲に対応させることができる。また、空気ポンプ６は、各燃料電池スタック２０の空気進入量を制御して均一にすることにより、各燃料電池スタック２０間の電力出力をバランスさせる。燃料電池スタック２０は、空冷式電池スタックまたは水冷式電池スタックが好ましい。
電流スイッチ２１は、燃料電池スタック２０のアノード出力端に直列接続され、一燃料電池スタック２０が生成する電気エネルギーが電流限度値を超えたとき、連動回路を切断することにより、一燃料電池スタック２０が電気エネルギーを過多に出力し、電力のバランスが失われるのを防止する。
逆電流保護装置２２は、電流スイッチ２１の出力端に一方向に導通するように直列接続される。逆電流保護装置２２は、電流が燃料電池スタック２０に逆流し、燃料電池スタック２０の内部が破損するのを防止する。逆電流保護装置２２は、一方向導通素子または二極体が好ましい。
直流バス３には、複数の燃料電池電力モジュール２の出力端が電気的に接続される。直流バス３は、各燃料電池電力モジュール２を互いに並列接続し、燃料電池スタック２０が生成した電気エネルギーを集電する。
電力調整装置４ａは、直流バス３の出力端に直列接続され、電圧および電力の変換を行い、直流バス３内の電圧を適当な電圧に調整した後、負荷に供給する。
図１に示すように、第１実施形態による並列型燃料電池電力システム１００は、蓄電池セット７をさらに含む。蓄電池セット７は、双方向コンバータ８により、直流バス３に電気的に接続される上、燃料電池電力モジュール２と並列接続される。燃料電池電力モジュール２は、正常な電気供給を行う状況では、双方向コンバータ８が電圧を蓄電池セット７に適用する範囲に調整した後、蓄電池セット７に対して充電を行う。これにより、燃料電池スタック２０が電力供給を停止したり、切断されたりしたとき、蓄電池セット７が負荷に必要な電力を供給することにより、電力供給が維持される。
図１に示すように、第１実施形態による並列型燃料電池電力システム１００は、コントローラ９をさらに含む。コントローラ９には、電流スイッチ２１が接続され、各燃料電池スタック２０の状態信号を読み取り、対応する電流スイッチ２１のオン／オフを制御する。
図２を参照する。図２に示すように、コントローラ９は下記のステップを行う。先ず、ステップ１０（Ｓ１０）において、各燃料電池スタック２０の状態信号を読み取る。次に、ステップ２０（Ｓ２０）において、任意の一燃料電池スタック２０の電力出力が過大になり、異常な状態信号の出力を検出したとき、対応する電流スイッチ２１をオフにする。次に、ステップ３０（Ｓ３０）において、蓄電池セット７を起動し、蓄電池セット７により、負荷が必要とする電力を供給する。
また、コントローラ９は、ステップ２０（Ｓ２０）の後、ステップ４０（Ｓ４０）を行うことができる。任意の一燃料電池スタック２０が異常な状態信号を出力し、対応する電流スイッチ２１をオフにしたとき、ステップ４０（Ｓ４０）において、残りの燃料電池スタック２０に対応する電流スイッチ２１も連動してオフにし、負荷が燃料電池電力モジュール２から電力を取り込むのを阻止する。また、残りの燃料電池スタック２０に対応する電流スイッチ２１をオフにした後、ステップ５０（Ｓ５０）において、各空気ポンプ６も連動してオフにし、空気の供給を停止する。また、各空気ポンプ６をオフにした後、ステップ６０（Ｓ６０）において、電磁バルブ５０も連動してオフにし、水素ガスの供給を停止することができる。
（第２実施形態）
図３を参照する。図３に示すように、本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’は、燃料供給装置１、複数の燃料電池電力モジュール２、直流バス３、電力調整装置４ａ、蓄電池セット７およびコントローラ９を含む。燃料供給装置１、複数の燃料電池電力モジュール２、直流バス３、電力調整装置４ａ、蓄電池セット７およびコントローラ９の構造および作動方式は、第１実施形態と略同一であるため、贅言せず、異なる点のみ説明を行う。
図３に示すように、本実施形態においては、第１実施形態における電磁バルブ５０の代わりに、複数の流量コントローラ５１が使用される。各流量コントローラ５１は、何れも燃料管５と連通する。また、各流量コントローラ５１は、燃料電池スタック２０のアノード入力端に対応するように配置され、複数の燃料電池電力モジュール２に進入する燃料の流量を制御し、複数の燃料電池電力モジュール２に進入する燃料の流量を均一にすることにより、各燃料電池スタック２０間の電力出力をバランスさせる。
図４を参照する。図４は、本発明の第２実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’のコントローラ９が行う動作を示す流れ図である。コントローラ９が行うステップは、第１実施形態と略同一であるため、贅言せず、異なる点のみ説明を行う。
図４に示すように、コントローラ９がステップ５０（Ｓ５０）を行った後、ステップ７０（Ｓ７０）を行う。コントローラ９が各空気ポンプ６をオフにした後、ステップ７０（Ｓ７０）において、複数の流量コントローラ５１も連動してオフにし、水素ガスの供給を停止する。
（第３実施形態）
図５を参照する。図５に示すように、本発明の第３実施形態による並列型燃料電池電力システム１００’’は、燃料供給装置１、複数の燃料電池電力モジュール２、直流バス３、電力調整装置４ｂ、蓄電池セット７およびコントローラ９を含む。燃料供給装置１、複数の燃料電池電力モジュール２、直流バス３、蓄電池セット７およびコントローラ９の構造および作動方式は、第１実施形態と略同一であるため、贅言せず、異なる点のみ説明を行う。
図５に示すように、本実施形態においては、各燃料電池電力モジュール２の出力端に電力調整装置４ｂが直列接続される。燃料電池スタック２０が出力する電力は、電流スイッチ２１および逆電流保護装置２２を経由した後、先ず、電力調整装置４ｂに進入し、電力調整装置４ｂが電力を均一の電圧に調整した後、直流バス３上に集電し、負荷に供給する。
以上のように、本発明の並列型燃料電池電力システムは、複数の燃料電池電力モジュールが並列に接続されることにより、パワーが固定された燃料電池スタックを組み合わせ、様々なパワーで電圧を出力し、負荷に供給することができる。また、各燃料電池スタックに進入する燃料（水素ガス）の流量を制御して均一にすると共に、各燃料電池スタックに進入する空気の流量を制御して均一にすることにより、各燃料電池スタックの電力出力をバランスさせることができる。また、供給する反応物の圧力および濃度を均一にすることにより、有効に電力を供給し、燃料電池スタックの寿命を延長することができる。
上述の各実施形態は、本発明の特徴を示すものであり、その目的は、当該技術に熟知するものが本発明の内容を理解し、実施することであり、本発明の範囲を限定することではない。従って、本発明の主旨を逸脱しない範囲における修飾または変更は、全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。
１００ 並列型燃料電池電力システム
１００’ 並列型燃料電池電力システム
１００’’ 並列型燃料電池電力システム
１ 燃料供給装置
２ 燃料電池電力モジュール
３ 直流バス
４ａ 電力調整装置
４ｂ 電力調整装置
５ 燃料管
６ 空気ポンプ
７ 蓄電池セット
８ 双方向コンバータ
９ コントローラ
２０ 燃料電池スタック
２１ 電流スイッチ
２２ 逆電流保護装置
５０ 電磁バルブ
５１ 流量コントローラ

Claims (10)

  1. 複数の燃料電池電力モジュールおよび直流バスを含み、
    前記複数の燃料電池電力モジュールは、共通の燃料管を含み、前記各燃料電池電力モジュールは、カソード入力端に空気ポンプが接続される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力端に直列接続される電流スイッチと、前記電流スイッチの出力端に一方向に導通するように直列接続される逆電流保護装置と、を含み、
    前記直流バスには、前記複数の燃料電池電力モジュールの出力端が電気的に接続され、前記各燃料電池電力モジュールを互いに並列接続することを特徴とする並列型燃料電池電力システム。
  2. 前記逆電流保護装置は、一方向導通素子または二極体であることを特徴とする請求項１記載の並列型燃料電池電力システム。
  3. 前記直流バスの出力端に直列接続される電力調整装置をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の並列型燃料電池電力システム。
  4. 双方向コンバータにより前記直流バスに電気的に接続され、前記燃料電池電力モジュールと並列接続される蓄電池セットをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の並列型燃料電池電力システム。
  5. 前記各燃料電池スタックの状態信号を読み取り、対応する前記電流スイッチのオン／オフを制御するコントローラをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の並列型燃料電池電力システム。
  6. 前記コントローラは、
    前記各燃料電池スタックの状態信号を読み取るステップと、
    任意の前記一燃料電池スタックが異常な状態信号を出力したとき、対応する前記電流スイッチをオフにするステップと、
    双方向コンバータにより前記直流バスに電気的に接続され、前記燃料電池電力モジュールと並列接続される蓄電池セットを起動するステップと、を行うことを特徴とする請求項５記載の並列型燃料電池電力システム。
  7. 前記コントローラは、
    任意の前記一燃料電池スタックが異常な状態信号を出力し、対応する前記電流スイッチをオフにするとき、残りの前記燃料電池スタックに対応する前記電流スイッチも連動してオフにするステップと、
    前記各空気ポンプも連動してオフにするステップと、を行うことを特徴とする請求項６記載の並列型燃料電池電力システム。
  8. 前記燃料管は、電磁バルブを含み、前記コントローラは、前記各空気ポンプをオフにした後、前記電磁バルブも連動してオフにすることを特徴とする請求項７記載の並列型燃料電池電力システム。
  9. 前記燃料管は、複数の流量コントローラを含み、前記各流量コントローラは、前記燃料電池スタックのアノード入力端に対応して配置され、前記コントローラは、前記各空気ポンプをオフにした後、前記流量コントローラも連動してオフにすることを特徴とする請求項７記載の並列型燃料電池電力システム。
  10. 前記燃料電池電力モジュールの出力端に直列接続される複数の電力調整装置をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の並列型燃料電池電力システム。
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